浅析电气设备局部放电的检测与技术研究

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　　【摘 要】传统的超声波法是用固定在变压器油箱壁上的超声波传感器接收变压器内部局部放电产生的超声脉冲，由此来检测局部放电的大小和位置。由于此方法受电气干扰的影响比较小以及它在局部放电定位中的广泛应用，人们对超声波法的研究比较深入。超声波法用于变压器局部放电检测最早始于上世纪40年代，但因为灵敏度低，易于受到外界干扰等原因一直没有得到广泛的应用。本文主要论述了局部放电的种类及特点、超声波检测常见的干扰信号及其特性、超声波检测系统结构、放大电路的设计及电源设计。
　　【关键词】超声波检测；局部放电；电气设备
　　近几年以来，出现了一种把超声波法与射频电磁波法（包括射频法和超高频法）联合起来进行局放定位的趋势。在澳大利亚的西门子研究机构使用局部放电产生的超声波和射频电磁波联合检测技术监测变压器中的局部放电活动。其关键依据是：超声波和电磁波在变压器介质中的传播速度是不一致的，因而可以测量两种波到达传感器的时间间隔。国内方面，西安交通大学提出了一种基于超高频和超声波的相控接收阵的局放电定位法，利用分别检测超高频和超声波信号的相控接收阵构成平面传感器，接收到的超高频信号为时间基准，进而得到超声波的传输时延，这样可计算出局放电点与超声波传感器间的距离，再根据相控阵扫描的方位角和仰角就得出放电的空间几何位置。
　　1 局部放电的基本原理
　　交联电缆的绝缘体内部在制造或施工过程中可能会残留一些气泡或渗入其他杂质，在这些有气泡或杂质的区域，它的击穿场强低于平均击穿场强，因此在这些区域首先有可能发生放电现象。在电场作用下，绝缘系统中只有部分区域发生放电现象，而没有贯穿在施加电压的导体之间，即尚未击穿的这种现象我们称之为局部放电。这种放电以仅造成导体间的绝缘局部短（路桥）接而不形成导电通道为限。每一次局部放电对绝缘介质都会有一些影响，轻微的局部放电对电力设备绝缘的影响较小，绝缘强度的下降较慢；而强烈的局部放电，则会使绝缘强度很快下降。这是使高压电力设备绝缘损坏的一个重要因素。
　　2 局部放电的种类及特点
　　2.1 电晕放电
　　电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式，是极不均匀电场的特征之一。电力系统中所遇到的绝缘结构大多是不均匀的，不均匀电场的形式很多，绝大多数是不对称电场。在电场极不均匀时，随间隙上所加电压的升高，在大曲率电极附近很小范围内的电场足以使空气发生游离，而间隙中大部分区域的电场仍然很小。于是在大曲率电极附近很薄一层空气中将具备自持放电（即外界游离因素不存在，间隙中的放电仅靠电场作用继续进行下去）的条件。放电仅局限在大曲率電极周围很小的范围内，而整个间隙尚未击穿。
　　2.2 沿面放电
　　电气设备中用来固定支撑带电部分的固体介质，多数是在空气中。当电压超过一定限制时，常在固体介质和空气的分界面上出现沿着固体介质表面的放电现象，称为沿面放电（或称沿面闪络）。下面以具有代表性的绝缘子为例描述沿面放电发展的过程。
　　沿面放电是一种特殊的气体放电现象，沿面闪络电压比气体或者固体单独作为绝缘介质时的击穿电压都低。影响沿面放电电压的主要因素有：电场分布情况、电压波形、介质表面状态、空气污秽程度、气候条件等等。
　　3 局部放电的检测方法
　　局部放电的检测是通过局部放电所产生的各种现象为依据。通常在绝缘内部发生局部放电时会伴随出现许多现象，如电脉冲、电磁波、超声波、光和热等。根据上述的特征，目前常用的检测方法主要有：脉冲电流法、高频电流法、超声波法、化学检测法、射频检测法、光测法等多种方法。
　　3.1 脉冲电流法
　　脉冲电流法是通过检测阻抗、检测变压器套管接地线、外壳接地线、铁心接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流来获得实在放电量。是研究最早、应用最广泛的一种检测方法。该电流传感器通常按频带可分为窄带和宽带两种。窄带传感器一般在10KHZ左右，具有高灵敏度、抗干扰能力强等优点，但输出波形严重畸形。宽带传感器带宽为IOOKHZ左右，具有脉分辨率高的优点，但信噪比低。该方法的主要缺点一是由于检测阻抗和放大器对测量的灵敏度、准确度、分辨率以及动态范围等都有影响。因此，当试样的电容量比较大时，受耦合阻抗的限制，灵敏度也受到了一定的限制；二是测试频率低，一般小于1MHZ，因而包含的信息量少；三是在离线状态其灵敏度较高，而现场中易受外界干扰噪声的影响，抗干扰能力差；
　　3.2 高频电流法
　　高频电流法是较为常见的检测方法，但检测的话只能检测两个地方：电缆本体和电缆接地线。当电缆内部发生局部放电现象时，会有部分电流通过外屏蔽层接地线流入大地。因此可以在接地线上安置高频电流传感器，以此来感应接地线上的局部放电电流，判断局部放电的发生。由于电缆本体相当于一根感应天线，因此这种检测方法会受到大量的广播干扰，需要做一定的数据处理才能够分辨电缆中的局部放电脉冲。
　　3.3 超声波法
　　电力电缆内部发生局部放电的时候，同时会伴随有声波发射现象。所以我们用超声波传感器来探测电缆中的局部放电现象。这种方法避免了与高压电缆等的直接电气连接，适用于电缆无需断电的在线检测。但变压器内部绝缘结构复杂，各种声介质对声波的衰减及对声速的影响都不一样。目前使用的检测超声波传感器抗电磁干扰能力较差，灵敏度也不高，这就增加了检测难度。近年来，由于声电换能元件效率的提高和电子放大技术的发展，超声检测的灵敏度有了较大的提高，因而该方法的发展应用是非常有希望的。
　　3.4 化学检测法
　　当变压器中发生局部放电时，各种绝缘材料会发生分解破坏，产生新的生成物，通过检测生成物的组成和浓度，可以判断局部放电的状态。目前，该方法已广泛应用于变压器的在线故障诊断中。故障类型不同，故障程度也不同，气体的组成和浓度也不相同，由此建立起来的模式识别系统可实现故障的自动识别。但直到目前，仍然没有形成统一的判断标准。因为它对发现早期潜伏性故障较灵敏，但不能反映突发性故障。
　　3.5 射频检测法
　　它从变压器的中性点处测取信号。测量的信号频率可以达30MHZ，大大提高了局部放电的测量频率。同时测试系统安装方便，检测设备不改变电力系统的运行方式，对于三相局部放电信号的总合无法进行分辨，而且信号易受外界干扰。但随着数字化滤波技术的发展，射频检测法在局部放电在线检测中得到了广泛的应用。
　　3.6 光测法
　　它是用局部放电产生的光辐射进行的。在变压器油中，各种放电发出的光波长不同。研究表明，通常在500～700mm之间。光电转换后通过检测光电流特性，可以实现局部放电的识别。虽然，在实验室中利用光测法来分析局部放电特征及绝缘劣化机理等方面取得了很大进展，但由于光测法设备复杂昂贵，灵敏度低，且需要被检测物质对光来说是透明的，因而不可能在实际中得以广泛应用。
　　对电气设备进行局部放电试验是电气设备制造和运行中的一项重要预防性试验。局部放电如果长期存在，会加速设备老化，在一定条件下甚至会造成绝缘破坏，严重影响设备正常运行。超声波检测法作为一种非电量测量法，有着独特的优点。本文的主要内容是基于压电传感器的高压电气设备局部放电信号的超声波检测方法研究，主要涉及了高电压技术、传感器技术、电子测量技术以及硬件电路设计等方面的相关知识。本文主要分析了三种局部放电的原理；研究了压电传感器的工作原理和特点及使用方法；在此基础上完成了高压电气设备局部放电信号的超声波检测系统硬件设计。
　　参考文献：
　　[1]王国利，郝艳捧，刘味果，李彦明，电力变压器超高频局部放电测量系统，电压技术，2001年.
　　（作者单位：辽河油田建设有限公司）
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